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Ce document et les informations qu’il contient sont la propriété de Safran. Ils ne doivent pas être copiés ni communiqués à un tiers sans l’autorisation préalable et écrite de Safran.1
Y. Mayi, M. Dal, P. Peyre, M. Bellet, C. Metton, C. Moriconi, R. Fabbro
A Feasibility Study
Two-Phase Flow Modelling of Metal Vaporisation under Static Laser Shot using a Double Domain ALE Method
COMSOL Conference, Lausanne22/10/2018
100 µm
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Summary
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1. Background→ SLM process→ Potential detrimental role of vaporisation in SLM
2. Numerical Model→ Physics→ Mathematical formulation
3. Results and Discussion→ Experimental validation→ Comparison to analytical model
4. Conclusions and Outlook
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Background
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Melt pool surrounded by powder. [Gunenthiram et al., 2017]
Local phenomena (surface tension, Marangoni, vaporisation), have an impact on the global scale.
Selective Laser Melting (Additive Manufacturing) At the local scale, single beads similar to laser welding.
Keyhole
Laser
Denudation
Powder
Ejected metal vapour/particles. [Bidare et al., 2017]
particles
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NUMERICAL MODEL
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What is the Double Domain Approach ?
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Gas → Set of physics A
Metal → Set of physics B
Jump conditions=
Information transfer
Compressible fluid flow
Heat Transfer
Transport of species
Incompressible fluid flow
Heat Transfer
Temperature
Fluxes
Stresses
…
Here a simplified configuration: 2D axi. without powder bed:
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Metal Domain
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Energy conservation:
ρcTt ρc u T k T
c cLπ∆T
expT T∆T
APπR
φ mL
convection conduction
vaporisation
Latent heat of melting
with
BC
Latent heat of vaporisation
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Metal Domain
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Mass conservation:
0 → Incompressible
Momentum conservation:
ρut ρ u u pI μ u u Ku
with K C1 ff C
BC
f σκ σ
P ∝ P T
Liquid fraction
Surface tension + Marangoni
Clausius-Clapeyron law
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Gas Domain
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Energy conservation:
→ Hyp. : temperature continuity
Mass conservation:
Momentum conservation:
ρt ρu 0 → Compressible
ρpRT
Metal vapour fraction
ωt D ω u ω 0 (transport of species)
ρut ρ u u pI μ u u
23 u I ρg
ω = 1 at the interface
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Interface: ALE + Jump Conditions
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ρ u n V ρ u n V m→ Lagrangian description of the interface.
→ Arbitrary internal nodes motion to optimise mesh
deformation.
Interface tracking Jump conditions
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RESULTS AND DISCUSSION
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A Few Results
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Inconel® 625 | P = 400 W | D0 = 150 µm | 0.3ms
Fraction of metal vapour
100 µm
Tboiling = 3200 K
Computation of a 0.3 ms static laser shot
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Minimum Requirement: Dimensions of the Melted Zones
P [W] D0 [µm] pulse [ms]
320 - 500 - 700 205 (top hat) 3
Experimental configuration:
Material: Inconel® 625
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Mirror polishedplates
Holes
Laser
Direct Observation of Drilled hOles (DODO) method [Schneider et al., 2010].
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Dimensions of the Melted Zones
• Shape of the melt pool well described
• Melt pool width estimated within a range of ± 5%
• Melt pool depth overestimated by about 7%
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100 µm
depth
width
→ Promising results
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Heat Transfer in the Melted Zone
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Comparison to the “piston model” (analytics) Mass balance
Energy Balance (stationary state)
Hyp: Flat surface, homogeneous surface temperature, non-viscous fluid.
Solid Liquid Vapour
Links Ilaser to :
→ Interface average temperature.→ Drilling velocity.→ Heat exchange.
P P PTliquidus
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Heat Transfer in the Melted Zone
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• Temperatures predicted follow the same trends (+10% for the numerical model).
• Melt pool convection is the dominant heat exchange mechanism.
• Recoil pressure drives the melt flow.
Precoil
P = 700 W | D0 = 205 µm | 3ms
Tliquidus
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Vapour Flow
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100 µm
Recirculation flow reported to cause denudation. Mushroom shape: Rayleigh-Taylor
Instability.
• High velocity of the vapour plume (> 100 m/s).
→ In agreement with most studies in the literature.
[Bidare et al., 2017]
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CONCLUSIONS AND OUTLOOK
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Conclusions
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Promising approach
→ Highly multi-physical.
→ Reproduces the 2D axi. shape of the melt pool.→ Predicts the melt pool dimensions with accuracy.→ Melt pool temperature trends and orders of magnitude in agreement with the “piston” model.
→ Good orders of magnitude of the vapour plume velocity.→ Mushroom structure of the vapour plume.→ Recirculation flow on the side of the vapour plume.
Future work: need more experimental validation.
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Outlook: 3D configuration ?
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Keyhole
Laser
Denudation
P = 300 W | D0 = 80 µm | V = 0.8 m/s
2D axisymmetric (drilling) 3D (welding) 3D + Powder (SLM)
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